CN101783741A - 具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出装置，包括：CANopen接口单元，用于与CANopen现场总线之间进行数据通信，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信，以及采集输入接口状态和输出接口状态诊断数据；输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接口电路和/或输出接口电路短路时，断开电源给予短路保护，并实时将输入接口状态和/或输出接口状态诊断数据传送给CANopen接口单元。本发明的CANopen I/O装置具有短路保护与自诊断功能，可在接口电源发生短路时断开电源并提供自诊断信息，并在短路故障排除后自动恢复工作。

Description

具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入输出装置

技术领域

本发明涉及计算机应用技术领域，特别是涉及一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置。

背景技术

目前，为了进行设备之间的通信，传统的输入/输出I/O装置需要通过导线将设备外部端点与控制器端点一对一连接，这种硬接线的连接方式需要耗费大量的精力进行现场组装与调试，且随着系统的复杂程度会增加大量的硬接线成本。

上述传统的输入/输出I/O装置不具备任何保护与诊断功能，例如，在接口电源发生短路的情况下不具有及时断开电源的功能，且无法提供任何保护和诊断的信息，于是一旦I/O装置出现故障，维护人员需要逐一对I/O装置中各个部件进行故障检测，大大影响维护人员对故障排查的效率，增加了故障排查的难度。

CANopen现场总线作为一种低成本的通信总线，它将工业设备连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通信，同时又提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过现有硬接线输入/输出I/O装置的I/O接口很难实现的。

此外，CANopen是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的互换性的同时，减少了硬接线和安装工业自动化设备的成本和时间。CANopen是一种开放的网络标准，其规范和协议都是开放的。供货商将设备连接到系统时无需硬件、软件或授权付费。任何对CANopen感兴趣的人或组织都可以从自动化CAN用户和制造商协会(CiA)获得CANopen规范。

但是，对于上述的CANopen总线，其目前具有的输入/输出I/O装置同样不具备任何保护和诊断功能，因此，目前迫切需要开发出一种具有短路保护与自诊断功能CANopen现场总线的输入和输出I/O装置，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，本发明具有重大的实际意义。

为此，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，包括：

CANopen接口单元，用于与CANopen现场总线之间进行数据通信，设置本节点的总线节点号Node-ID和通信波特率，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据；

输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接口电路和/或输出接口电路发生短路时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，并实时将输入接口状态和/或输出接口状态诊断数据传送给CANopen接口单元。

优选地，所述CANopen接口单元包括有：

带有局域网CAN控制器的微处理器，用于向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发现场数据，采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据，接收拨码开关电路所设置的本节点的总线节点号和通信波特率，控制模块/网络状态指示灯的状态，初始化并与CANopen现场总线之间进行数据通信，接收CANopen现场总线的报文并向CANopen现场总线发送符合CAN协议的报文；

拨码开关电路，与微处理器双向连接，用于设置本节点的通信波特率及总线节点号；

模块/网络状态指示灯，与微处理器双向连接，用于实时反映本节点的工作状态及通信状态；

带有隔离装置的CAN总线收发器，与独立式CAN控制器双向连接，用于实现独立式局域网CAN控制器的电平与CANopen现场总线电平之间的转换，并与CANopen现场总线进行数据的双向传输，同时实现微处理器与CANopen总线之间的隔离功能。

优选地，微处理器与CANopen现场总线之间进行数据通信具体为：所述微处理器接收来自CANopen现场总线的报文并进行解析，以及将要发送给CANopen现场总线的报文进行打包，以符合CANopen协议规范。

优选地，所述CANopen接口单元中还包括有一个数据扩展存储器，与带有CAN控制器的微处理器相连接，所述数据扩展存储器用于存储带有CAN控制器的微处理器中的通信数据，所述数据扩展存储器所存储的带有CAN控制器的微处理器中的通信数据包括有：本节点的总线节点号和通信波特率，以及微处理器向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发的现场数据，还有微处理器向CANopen现场总线相交互的数据、来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据。

优选地，输入输出短路保护与自诊断单元包括有：

输入接口电路，与微处理器双向连接，用于为可接外围通信对象的输入接口进行供电，向微处理器提供输入接口所输入的现场数据，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

输出接口电路，与微处理器双向连接，用于接收微处理器下发输出的现场数据给输出接口，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供电，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

输入状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输入接口电路是否发生短路，在输入接口电路发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器；

输出状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输出接口电路是否发生短路，在输出接口电路发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器。

优选地，所述输入接口电路包括有功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输入接口，所述输入接口可接机械开关或传感器，所述输入接口接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

优选地，所述输出接口电路包括有：三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输入端接微处理器AT90CAN128，其输出端接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输出接口，所述输出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。

优选地，所述输入状态诊断电路和输出状态诊断电路中包括有：电压比较器LM339，所述电压比较器LM339的负信号端接输入接口电路或输出接口电路的电源正端，其正端电压恒定，所述电压比较器LM339的输出端接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的实际意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置的总体结构图；

图2为拨码开关(设置节点NODE-ID及通信波特率)电路的电路图；

图3为模块/网络状态指示灯的电路图；

图4为带有CAN控制器的微处理器和带隔离的总线收发器之间的接口电路图；

图5为输入接口电路的电路图；

图6为输出接口电路的电路图；

图7为输入状态诊断电路的电路图；

图8为输出状态诊断电路的电路图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明进行说明。

图1为本发明提供的一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置的总体结构图。

参见图1，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，该装置包括CANopen接口单元101和输入输出短路保护与自诊断单元102，其中：

CANopen接口单元101，用于与CANopen现场总线之间进行数据通信，设置本发明装置节点的总线节点号(NODE-ID)(即本节点的网络地址)和通信波特率，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信(即输入和输出)，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊断数据；

输入输出短路保护与自诊断单元102，与CANopen接口单元101相连接，用于与外围设备之间进行数据通信(即输入和输出)，在输入接口电路和/或输出接口电路发生短路时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，并将输入接口状态和/或输出接口状态诊断数据传送给CANopen接口单元101。

在本发明中，所述CANopen接口单元101包括有：

带有局域网CAN控制器的微处理器1011，用于向输入输出短路保护与自诊断单元102采集和下发现场数据(即进行现场数据的通信)，接收CANopen现场总线的报文并向CANopen现场总线发送符合CAN协议的报文，采集来自输入输出短路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊断数据，接收拨码开关电路1012所设置的本发明装置节点的总线节点号和通信波特率，控制模块/网络状态指示灯1013的状态，初始化并与CANopen现场总线之间进行数据通信(即数据的接收和发送)。具体实现上，在本发明中，带有CAN控制器的微处理器1011采用带有CAN控制器的微处理器AT90CAN128。

具体实现上，所述微处理器1011采集输入输出短路保护与自诊断单元102中输入接口电路的现场数据，向其中的输出接口电路下发现场数据；此外，还采集来自输入输出短路保护与自诊断单元102的输入接口状态和输出接口状态诊断数据；

微处理器1011与CANopen现场总线之间进行数据通信具体为：所述微处理器1011接收来自CANopen现场总线的报文并进行解析，以及将要发送给CANopen现场总线的报文进行打包，以符合CANopen协议规范。

在本发明中，所述CANopen接口单元101中还包括有一个数据扩展存储器，与带有CAN控制器的微处理器1011相连接，所述数据扩展存储器用于存储带有CAN控制器的微处理器1011中的通信数据，所述数据扩展存储器所存储的带有CAN控制器的微处理器中的通信数据包括有：本节点的总线节点号和通信波特率，以及微处理器向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发的现场数据，还有微处理器向CANopen现场总线相交互的数据、来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据。

需要说明的是，按照CANopen协议规范，CANopen现场总线上传输的报文分为报文头和有效数据两部分。因此，微控制器1011在接收到总线报文后，需要将报文头和有效数据拆解，从报文头中判断该报文的类型，源节点地址等，而从有效数据中获取所需要的具体数据，上述过程即为总线报文的解析过程。同理，当微控制器1011需要向CANopen现场总线传输其内部的报文时，需要对该报文进行封装(即打包)，使该报文具备相关的报文头(该报文头包含本节点或目标节点地址、信息类型等)，然后再向CANopen现场总线上发送。

需要说明的是，微处理器在初始上电后，所有参数的状态都需要有一个初始值，这样才能在一个初始状态下进入正常工作状态。在微控制器开始执行时，需将相关参数如节点地址、主站地址、通信波特率、定时器初始记数值、CAN控制寄存器初始值等参数写入微控制器，只有这样才能开始运行。因此需要将所有默认值通过赋值语句写入到标志这些状态的专用寄存器中，从而完成初始化。

拨码开关电路1012，与微处理器1011双向连接，用于设置本发明装置节点的通信波特率及总线节点号(即节点网络地址)，参见图2，为拨码开关电路的电路图；

模块/网络状态指示灯1013，与微处理器双向连接，用于实时反映本发明装置节点的工作状态及通信状态，参见图3，图3为模块/网络状态指示灯电路图；

带有隔离装置的CAN总线收发器1014，与带有CAN控制器的微处理器1011双向连接，用于实现微处理器内嵌的局域网(CAN)控制器的电平与CANopen现场总线电平之间的转换，并与CANopen现场总线进行数据的双向传输；参见图4，图4为带有CAN控制器的微处理器和带隔离的总线收发器之间的接口电路图，具体实现上，CTM1050接口芯片即为带有隔离装置的CAN总线收发器1014；

图4为微控制器和总线收发器之间的接口电路图；

需要说明的是，在拨码开关电路1012完成总线节点号及通信波特率的设置后，通过数据总线通知给微处理器1011，微处理器1011随即进行协议程序的执行，接收局域网(CAN)控制器中的相关数据和发送经处理后的应答信息，并随时将相关状态通过数据总线反映给模块/网络状态指示灯，而所有接收和发送的数据最终是通过CAN总线收发器1014处理成符合局域网(CAN)总线电平要求的信号后传递到CANopen总线上。

在本发明中，输入输出短路保护与自诊断单元102包括有：

输入接口电路1021，与微处理器1011双向连接，用于为可接外围通信对象的输入接口进行供电，向微处理器1011提供输入接口所输入的现场数据，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

输出接口电路1022，与微处理器1011双向连接，用于接收微处理器1011下发输出的现场数据给可接外围通信对象的输出接口，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供电，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

参见图5、图6，图示输入接口电路1021和输出接口电路1022中的BTS410为智能高端功率开关芯片，最大可提供2A负载电流，BTS410自身带有短路保护电路、过流保护、过压保护等功能。当模块接口短路时，BTS410内部集成的检测电路会自动保护模块电路，断开电源，而当短路故障排除时，BTS410能立即恢复供电，使接口能正常工作。

输入接口电路如图5所示，所述输入接口电路1021包括有功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输入接口，所述输入接口可接机械开关或传感器，所述输入接口接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

如图5所示，外部的24V电源通过智能高端功率开关芯片BTS410给输入接口(Header3)供电，输入接口可接机械开关或传感器等外围通信对象，该输入接口接光耦PC817，当机械开关闭合或传感器动作时，光耦PC817导通，光耦PC817的输出端输出高电平，通过三态双向总线收发器74LS245可以实现与微处理器AT90CAN128进行数据的双向传输，最终外围通信对象的8路输入数据(开关量)由微处理器通过选通三态双向总线收发器74LS245进行采集。

输出接口电路如图6所示，所述输出接口电路1022包括有：三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输入端接微处理器AT90CAN128，其输出端接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输出接口，所述输出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。

如图6所示，外部的24V电源通过智能高端功率开关芯片BTS410给输出接口供电，输出接口可接电磁阀、继电器等执行器(即外围通信对象)。D触发器74LS273可实现数据的锁存。微处理器输出数据时，微处理器只需给D触发器74LS273的时钟端提供一个上升跳边沿，数据总线上的输出数据既锁存在74LS273的输出端。输出信号为高电平时，三极管Q1 9013导通，从而光耦PC817导通，功率开关芯片BTS410的开关信号输入端被激活，BTS410开启，从而为输出接口(Header 2)供电，驱动电磁阀、继电器等外围通信对象。

输入状态诊断电路1023，与微处理器1011双向连接，用于诊断输入接口电路1021是否发生短路，在输入接口电路1021发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器1011；

输出状态诊断电路1024，与微处理器1011双向连接，用于诊断输出接口电路1022是否发生短路，在输出接口电路1022发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器1011；

图7、图8分别为输入状态电路和输出状态诊断电路，如图7和图8所示，LM339为高精度的电压比较器，当其正信号端电压大于负信号端电压时，其输出端输出高电平，当其负信号端电压大于正信号端电压时，其输出端输出低电平。图7、图8中，所述电压比较器LM339的负信号端接输入接口电路1021或输出接口电路1022的电源正端，其正端电压恒定，所述电压比较器LM339的输出端接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

在本发明中，输入接口电路1021和输出接口电路1022的电源正端接电压比较器LM339的负信号端，24V电压经过100K、1K电阻分压后接LM339正信号端，正端电压恒为0.2V。因此，当输入接口电路1021发生短路时，BTS410处于保护状态，输入接口电路1021的电源正端接地，电源工作指示LED灯DS1熄灭。电压比较器LM339的负信号端接地，由于电压比较器LM339的正端接0.2V的基准电压，电压比较器LM339输出高电平，此时输入状态诊断电路1023的光耦PC817输入端导通，短路提示LED灯DS2导通用于指示通道短路，光耦PC817输出端所输出的短路信号为高电平，从而三态双向总线收发器74LS245的输入状态信号为高电平，微处理器将通过三态双向总线收发器74LS245采集输入状态信号“1”，作为输入状态诊断数据。选通三态双向总线收发器74LS245时，8位数据可由A通道传输到B通道，或者进行反向传输，所采集的三态双向总线收发器74LS245的输入状态信号作为短路的输入状态诊断数据。

当短路故障排除时，功率开关芯片BTS410自动恢复工作状态，电源工作LED灯DS1导通，电压比较器LM339由于负信号端电压大于正信号端电压，输出低电平，输入诊断电路光耦PC817截止，短路提示灯DS2熄灭，诊断信号为低电平，表明输入通道正常，微处理器采集输入状态信号“0”，作为输入状态诊断数据。

同理，当输出接口电路1022发生短路时，电源工作提示灯DS4熄灭，电压比较器LM339输出高电平，控制短路提示LED灯DS3导通，输出诊断信号为高电平，微处理器将通过输出短路诊断电路循环采集输出状态信号“1”作为输出状态诊断数据。当短路故障排除时，电源工作提示灯DS4导通，电压比较器LM339输出低电平，短路提示灯DS3熄灭，诊断信号为低电平，表明输出通道正常，微处理器采集输出状态“0”作为输出状态诊断数据。

需要说明的是，对于本发明提供的装置，该装置的通信协议同时支持“轮询”和“位选通”两种重要的数据触发方式：本发明装置不仅可以与CANopen主节点进行点对点的数据交换，即传统的轮询通信模式，还可充分发挥CANopen网络生产者/消费者网络模型的优势，支持CANopen主节点“广播式”的发送方式，使得多个I/O装置可在同一时刻接收命令信息，即支持位选通的通信模式。

具体实现上，本发明提供的基于多种数据触发方式的CANopen现场总线输入输出I/O装置，首先应用微处理器单片机1011读取外围的拨码开关量，通过拨码开关电路1012进行本装置节点的NODE-ID(节点地址号)和通信波特率的设置，通过模块/网络状态指示灯1013显示模块的网络状态。

然后，带有CAN控制器的微处理器1011通过输入接口电路1021采集可接外围通信对象的输入接口所输入的现场数据，而通过输入状态诊断电路1023可诊断输入接口电路1021是否短路，微处理器1011通过输入状态诊断电路1023采集关于输入接口电路1021的输入接口状态诊断数据；同时，通过输出接口电路1022给输出接口下发输出现场数据，而通过输出状态诊断电路1024可诊断输出接口电路1022是否短路，微处理器1011通过输出状态诊断电路1024采集关于该输出接口电路1022的输出接口状态诊断数据。内嵌于微处理器1011的CAN控制器可自动完成部分CAN总线协议，将所要发送的数据根据CANopen协议格式进行封装，并向总线发送，以及接收CANopen总线上的数据，并对该数据按照CANopen协议进行解析，提取数据并向通过输出接口电路1021向外围的现场设备下发。带隔离的CAN总线收发器1014 CTM1050可以实现总线隔离，并双向发送或接受CANopen报文。

本发明在上述过程中，微处理器1011首先读取外围拨码开关数值进行节点NODE-ID(即节点地址号)和通信波特率的设置，随后初始化CANopen对象属性、初始化CANopen通信参数、设置定时器和CAN控制寄存器，从而完成设备初始化过程。然后进行CANopen自检，自检通过后向CANopen总线上发送重复NODE-ID检测报文，检测总线上有无相同的NODE-ID。检测通过后节点就连上了CANopen总线。

连接到CANopen总线后，需要与本节点进行通信的节点就会发送建立连接邀请，本节点会按照要求判断所要建立的连接类型，并根据不同类型配置内部连接及各参数的初始状态(轮询连接实例和位选通连接实例)，并返回响应信息，以确认所建立的连接。

连接建立后，本发明的装置(即本节点)就可与总线上的其他节点交换输入/输出I/O数据，微处理器通过输入接口电路向可接外围通信对象的输入接口采集输入数据，并通过输出接口电路向可接外围通信对象的输出接口下发输出数据，并根据应用程序要求完成其他各项功能。当主节点发送的信息为轮询命令信息时，本装置以轮询响应报文予以回应，当主节点发送的信息为位选通命令信息时，本装置的内部程序会转入位选通判断子程序，对信息加以分析判断，若确为选通本装置的信息，则会执行相关动作，并生成位选通响应信息。

对于上述本发明提供的装置，该装置在输入或者输出接口电路发生短路时，参见图5、图6，能够将具有开关作用的光耦输入端信号关闭，从而关闭光耦相应的输出端，立即断开通路，能够有效地保护模块的其他电子元件不会因短路而烧毁。结合图7、图8所示的电路，在短路时可以发出报警信号，提示工作人员能够尽快排除断路故障。同时对于发生的短路故障状态通过CANopen现场总线可以实现有效传输与映射，为维护人员进行故障监控提供有效信息。此外，当短路故障排除后可以立即自动恢复工作状态，本发明的短路保护采用电子式短路保护，具有响应速度快，短路时功耗小的优点，并且电路简单，成本低廉。

本装置可实现仅限组2报文的处理，完成基于CANopen现场总线的多路I/O数据(开关量、模拟量)的通信功能；支持轮询和位选通两种数据触发方式，不仅可以处理来自总线的轮询报文并做出响应，还可以处理来自总线的位选通报文，在正确判断后做出响应，充分发挥了生产者/消费者网络模型的优势；具有非常强的可移植性和可扩展性，在本装置基础上较易实现系统的升级及功能扩展。

对于本发明提供的装置，采用了集成CAN控制器的微处理器AT90CAN128作为本装置的主控，此外，只采用了一片CTM1050接口芯片就实现了带隔离的CAN收发电路，从而简化了电路，降低了生产成本，提高了良率。在短路保护功能设计中，输入输出接口采用光耦，运放，发光二极管等元件实现I/O接口的短路保护功能，当接口发生短路时，能够及时断开电路，保护I/O模块，防止其因短路而损坏，同时故障灯发光报警，同时实现在故障排除后自动恢复原正常工作状态。

上述本发明装置具有的输入和输出状态诊断电路，可以在输入输出端口发生短路故障时，短路诊断数据通过CANopen现场总线实现有效传输与映射，从而使在现场工作条件较差的情况下，对经常造成模块输入、输出端短路，负载装置短路等引起严重电源短路的故障实现有效的诊断与保护。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供了一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，其具有短路保护与自诊断功能，可以在接口电源发生短路的情况下及时断开电源，避免因短路电流而烧毁，并提供自诊断信息，方便维护人员进行装置的故障监控和排查，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，具有重大的实际意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有短路保护与自诊断功能的CANopen现场总线输入和输出I/O装置，其特征在于，包括：

CANopen接口单元，用于与CANopen现场总线之间进行数据通信，设置本节点的总线节点号Node-ID和通信波特率，与输入输出短路保护与自诊断单元之间进行现场数据的通信，以及采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据；

输入输出短路保护与自诊断单元，用于与外围设备之间进行数据通信，在输入接口电路和/或输出接口电路发生短路时，断开电源给予短路保护，当短路故障排除后装置自动恢复正常工作，并实时将输入接口状态和/或输出接口状态诊断数据传送给CANopen接口单元。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CANopen接口单元包括有：

带有局域网CAN控制器的微处理器，用于向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发现场数据，采集来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据，接收拨码开关电路所设置的本节点的总线节点号和通信波特率，控制模块/网络状态指示灯的状态，初始化并与CANopen现场总线之间进行数据通信，接收CANopen现场总线的报文并向CANopen现场总线发送符合CAN协议的报文；

拨码开关电路，与微处理器双向连接，用于设置本节点的通信波特率及总线节点号；

模块/网络状态指示灯，与微处理器双向连接，用于实时反映本节点的工作状态及通信状态；

带有隔离装置的CAN总线收发器，与独立式CAN控制器双向连接，用于实现独立式局域网CAN控制器的电平与CANopen现场总线电平之间的转换，并与CANopen现场总线进行数据的双向传输，同时实现微处理器与CANopen总线之间的隔离功能。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，微处理器与CANopen现场总线之间进行数据通信具体为：所述微处理器接收来自CANopen现场总线的报文并进行解析，以及将要发送给CANopen现场总线的报文进行打包，以符合CANopen协议规范。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述CANopen接口单元中还包括有一个数据扩展存储器，与带有CAN控制器的微处理器相连接，所述数据扩展存储器用于存储带有CAN控制器的微处理器中的通信数据，所述数据扩展存储器所存储的带有CAN控制器的微处理器中的通信数据包括有：本节点的总线节点号和通信波特率，以及微处理器向输入输出短路保护与自诊断单元采集和下发的现场数据，还有微处理器向CANopen现场总线相交互的数据、来自输入输出短路保护与自诊断单元的输入接口状态和输出接口状态诊断数据。

5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，输入输出短路保护与自诊断单元包括有：

输入接口电路，与微处理器双向连接，用于为可接外围通信对象的输入接口进行供电，向微处理器提供输入接口所输入的现场数据，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

输出接口电路，与微处理器双向连接，用于接收微处理器下发输出的现场数据给输出接口，根据该输出的现场数据，为可接外围通信对象的输出接口进行供电，并在发生短路时，断开供电，而在短路故障排除后恢复供电；

输入状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输入接口电路是否发生短路，在输入接口电路发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器；

输出状态诊断电路，与微处理器双向连接，用于诊断输出接口电路是否发生短路，在输出接口电路发生短路时，输出短路诊断信号给微处理器。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输入接口电路包括有功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输入接口，所述输入接口可接机械开关或传感器，所述输入接口接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输出接口电路包括有：三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输入端接微处理器AT90CAN128，其输出端接三极管Q1的基极，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的集电极接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接功率开关芯片BTS410，该功率开关芯片BTS410一端接外部电源，其一端接输出接口，所述输出接口可接包括电磁阀、继电器在内的多种执行器。

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述输入状态诊断电路和输出状态诊断电路中包括有：电压比较器LM339，所述电压比较器LM339的负信号端接输入接口电路或输出接口电路的电源正端，其正端电压恒定，所述电压比较器LM339的输出端接光耦PC817，所述光耦PC817的输出端接三态双向总线收发器74LS245，所述三态双向总线收发器74LS245的输出端接微处理器AT90CAN128。

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